В тихом вакууме нано водится

Солнечные батареи, разработанные в Академгородке, будут использовать в космосе

Один из главных научных трендов 2000-х годов — это солнечная энергетика. Благодаря исследованиям новосибирских ученых Россия остается мировым лидером в этой высокотехнологичной области. Что именно предлагают наши физики и почему нам нужно как можно интенсивнее развивать солнечную энергетику?

Антикризисный проект
К 2050 году человечество будет использовать 20 тераватт электроэнергии в год. Ученые разных стран сходятся в одном: чтобы избежать глобального энергетического кризиса, нужно задействовать солнечную энергию. Руководитель отдела роста и структуры полупроводниковых материалов ИФП СО РАН Олег Пчеляков полагает, что переломный момент в мировой энергетике наступит в 2030 году, когда стоимость киловатта энергии, полученной от солнечной батареи, станет ниже стоимости киловатта энергии «из розетки». По расчетам ученых, объемы солнечной энергии к 2050 году приблизятся к объемам энергии от сжигания углеводородов, а к 2100 году Солнце будет обеспечивать 90% той энергии, что нужно Земле.

Лучшие в мире солнечные батареи, установленные на международной космической станции, аккумулируют только 16% попадающей на них энергии. У солнечных батарей, которые есть в свободной продаже, энергоэффективность еще ниже — всего 5—7%. Все дело в устаревшей технологической основе аккумулирующих элементов. В отличие от китайских производителей в институте физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН для изготовления батарей применяют нанотехнологии.

Плёнка крепче стали
По словам Олега Пчелякова, энергоэффективность батарей, изготовленных по нашей, сибирской, технологии, в два раза выше, чем у самых современных образцов. Изготовить такие батареи можно только с применением нанотехнологий и сверхвысокого вакуума. Для всех этих сложных операций в институте физики полупроводников создали установку «Катунь». Внутри нее формируется сверхглубокий вакуум, необходимый для создания полупроводниковых пленок. В этих многослойных структурах германий чередуется с кремнием — в результате получается наиболее эффективная батарея.

Полупроводниковая пленка состоит из нескольких тысяч слоев, поэтому весь процесс подачи материалов контролирует автоматизированная система управления. Процесс создания этих пленок должен быть высокотехнологичным, иначе на их поверхности образуются дефекты и батарея будет менее эффективной.

Пока технология довольно дорога, чтобы использовать батареи массово и питать с их помощью целые здания и жилые кварталы. Сначала их будут устанавливать на космические спутники и МКС. По словам Олега Пчелякова, скептики от науки постоянно сомневаются в том, что полупроводниковые пленки долго проживут в космосе под постоянными метеоритными потоками.

— Опытные образцы этих батарей были изготовлены и установлены еще на орбитальной станции «Мир». Они проработали там около года во время очень большого потока метеоритов, который бывает один раз в сто лет. Поскольку батареи выдержали экстремальную нагрузку, то мы смело можем утверждать — наши проекты осуществимы.

Возвращение «Бурана»
Размещение уникальных солнечных батарей на МКС — не единственный и далеко не самый амбициозный из космических проектов сибирских ученых. В их планах — создать в космосе вакуумную лабораторию для работы над солнечными батареями.

— Лаборатория в космосе нужна потому, что только там мы сможем работать со сверхглубоким вакуумом, который невозможно воссоздать на Земле. Идеальный вакуум образуется за любым телом, летящим в космосе. Там мы сможем проводить эксперименты по получению особо чистых материалов и даже производить наши нанотехнологичные батареи. Вместе с американскими коллегами мы уже получили патент на эту летающую установку.

Международная космическая станция парит в 350 километрах над Землей, но для сверхглубокого вакуума такого расстояния недостаточно. Сибирские ученые планируют разместись свою установку на расстоянии 250 тысяч километров от Земли и провести там контрольные эксперименты по созданию полупроводниковых пленок. Результатом этой работы должно стать промышленное производство полупроводниковых пленок в космосе.

Отметим, что проект сибирских ученых было бы невозможно осуществить без проекта «Буран» — советского аналога американского космического челнока «Шаттл». Возрожденный «Буран» (его возвращением занимаются конструкторы в Самаре) будет в два раза меньше «Шаттла», для его перевозки от места посадки до космодрома планируют использовать легендарный Ан-225 «Мрия». Этот самолет, до сих пор остающийся самым большим в мире, летал с «Бураном» еще в 1989 году. Новый «Буран» можно назвать преемником миниатюрного орбитального корабля, разработанного НПО «Молния» в конце 1980-х годов. Этот аппарат разрабатывался параллельно с большим «Бураном» и был строго засекречен.

Как отмечает Олег Пчеляков, в более далекой перспективе в качестве гигантской солнечной батареи можно будет использовать Луну. На спутнике Земли можно будет разместить целые поля солнечных батарей и передавать аккумулируемую ими энергию лазерным лучом. Подобные проекты есть и в других странах мира — например, в США. Ученый Хьюстонского университета Алекс Игнатьев разработал проект аппарата, который будет передвигаться по Луне и на ходу изготавливать солнечные батареи из лунного грунта — реголита. Осуществятся ли эти планы? Увидим лет через тридцать.

ЦИФРА
Первая солнечная электростанция в России была запущена в Белгородской области в 2010 году. Еe мощность — 100 киловатт.